移动通信系统的基本原理与概念(北邮ppt课件).ppt

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1、第一章-1,移动通信系统的基本原理与概念,一、移动通信的基本概念和主要特点二、移动通信系统分类与组成三、常用移动通信系统与工作方式 四、移动通信的发展、现状与未来五、移动通信的标准化六、蜂窝移动通信的概念七、GSM数字蜂窝移动通信系统概述八、电波传播、大尺度场强估计与覆盖设计,第一章-2,教学参考书,移动通信原理与应用啜刚、王文博、常永宇，北京邮电大学出版社WCDMA技术与系统设计Harri Holma,Antti Toskala著，付景兴、马敏等译，机械工业出版社CDMA2000技术杨大成等编著，北京邮电大学出版社蜂窝移动通信网络规划与优化张业容等编著，电子工业出版社CDMA系统设计与优化K

2、young Kim编著，刘晓宇、杜志敏译，人民邮电出版社,第一章-3,一、移动通信的基本概念和主要特点,基本定义“动中通信”通信双方至少有一方处在移动的情况下（或临时静止）的相互信息传输和交换的方式。移动性体现在：终端的移动性手持机、车载台个人的移动性SIM卡支持的业务，身份信息业务的移动性200号业务，PORTAL NUM通信网的智能化和无线化使移动通信成为可能传输技术的发展芯片制造技术的发展软件应用技术的发展,第一章-4,移动通信的主要特点,无线电波传输环境恶劣复杂阴影效应，有地形结构引起，表现为慢衰落（高斯衰落）多径效应，由移动体周围的局部散射体引起的多径传播，表现为快衰落（瑞利衰落）。

3、空间传播损耗多普勒频移产生调制噪声：多普勒效应，由于移动体的运动速度和方向引起，多径条件下，引起多普勒频谱展宽。,第一章-5,接收信号的统计分析,第一章-6,移动台受噪音干扰,干扰复杂 开放式环境，存在多种噪声（人为噪声，自然干扰）和干扰（互调，共频，邻道）频谱拥挤（窄带化，缩小频带间隔，复用）可利用的频谱资源有限，用户需求剧增对移动台要求高，用户终端成为个人消费品网络结构多种多样，网络管理技术复杂,第一章-7,二、移动通信系统分类与组成,各种分类方法按工作方式分类单工，双工，半双工按多址方式分类FDMA,TDMA,CDMA按信号形式分类模拟网，数字网按覆盖范围分类局域网，广域网按业务类型分类

4、电话网，数据网，综合业务网，多媒体按服务范围分类专用网，公用网按使用环境分类陆地通信，海上通信，海上通信按使用对象分类军用系统，民用系统,第一章-8,通信系统的分类,第一章-9,移动通信系统组成,第一章-10,三、常用移动通信系统与工作方式,集群通信警察、出租车调度蜂窝移动电话车载、手持机无线寻呼数字、汉字、双向无绳电话家用、公共无线接入点（PHS）卫星移动通信铱星系统宽带无线接入网WLAN，蓝牙，802.11,第一章-11,移动通信工作方式,移动通信的传输方式分单向传输（广播式）和双向传输（应答式）两种双向传输按无线信道的使用频率和信息传输方式，分为单工、双工和半双工等三种工作方式。,送受话

5、器 送受话器 电台甲 电台乙,1、单工通信 通信双方电台交替地进行收信和发信,第一章-12,移动通信工作方式,f1,f2,f1,f1,f2,f2,基站,移动台,2、双工通信通信双方可同时进行信息传输,3、半双工通信 移动台采用单工的“按讲”方式，其他与双工完全相同（集群通信，汽车调度）,第一章-13,四、移动通信的发展、现状与未来,1946年AT&T推出了第一个移动电话系统，采用FM调制，120Hz带宽传输一路话音；60年代中期Bell System推出了IMTS（Improved Mobile Telecommunication Service），采用FM调制，2530KHz带宽传输一路话音

6、；60年代末，70年代初开始第一个蜂窝（Cellular）电话系统，Cellular的意思是将一个大区域划分为几个小区（Cell），相邻的Cell不使用相同的频率，以免干扰；,第一章-14,移动通信的发展、现状与未来,70年代末，由于微处理器的出现，使系统的复杂度提高。美国推出了AMPS（Advanced Mobile Phone System），英国推出了TACS（Total Access Communication System）等。80年代初开始了运营实验，实验真正意义上的蜂窝移动通信；90年代初，相继推出了第二代数字移动通信系统DAMPS、GSM、CDMA系统；90年代中期以后，开始研

7、究第三代移动通信系统。,第一章-15,蜂窝移动通信的发展历程,第一章-16,第一代移动通信系统,第一章-17,第一代移动通信系统的特点,蜂窝小区系统设计频率复用解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾模拟系统语音信号FM传输FDMA,第一章-18,第二代移动通信系统,第一章-19,第二代移动通信系统的特点,微蜂窝小区结构更优的空分复用，提高用户数量数字化技术语音信号数字化新的调制方式，GMSK，QPSK等TDMA，CDMA,频谱利用率高，系统容量大能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性抗噪声、抗干扰和抗多径衰落能力强能实现更有效、灵活的网络管理和控制便于实现通信安全保密可降低设备成本和减少用户手机

8、的体积和重量,第一章-20,第三代移动通信系统,第一章-21,第三代移动通信系统的特点,微蜂窝结构宽带CDMA技术调制技术，QPSK/自适应调制FDMA/TDMA/CDMA电路交换变为分组交换从媒体（media）到多媒体（Multi-media）,第一章-22,中国移动通信发展状况,到2006年，中国固定电话用户数达到3.12亿，用户占世界总数的20%，居世界第一。移动通信用户数达到4.16亿，用户约占世界总数的四分之一，居世界首位，普及率提高到21%，超过当时世界平均水平（15%）。业务增长的重点从话音业务需求转向多媒体业务需求，从单一业务转向综合业务，从窄带业务向宽带业务，从低速业务向高速

9、业务。,第一章-23,最近移动通信发展的方向,传输容量（bps）,移动性,第一章-24,传输距离与传输速率的相互制约,第一章-25,移动通信系统的演进,第一章-26,移动通信的发展目标个人通信,一些专家总结为五个W：任何人（Whoever）在任何地方（Wherever）任何时间（Whenever）可以同任何人（Whomever）进行任何形式（Whatever）的通信,目标是实现个人通信系统（PCS）,个人通信发展的前提：大容量，频谱资源全覆盖，无缝移动性低费用智能化，处理能力,第一章-27,个人通信系统的发展基础,近二十年来几项技术革命使PCS成为可能。这主要表现在以下几个方面：低功耗、超大规

10、模集成电路VLSI的发展；工作在110GHz频段固态RF电路的发展；可充电电池在体积和容量方面的不断改善；扩频通信技术的发展；电话网向数据网的转化，即通 信网络智能化的发展；光传输技术应用软件技术,第一章-28,五、移动通信的标准化,标准化工作的重要性通信技术的多样性（看似繁荣实际阻碍技术发展）网络缺乏互联设备缺乏互通无法大规模生产价格昂贵移动通信的标准化内容技术体制标准化网络设备标准化测试方法标准化,第一章-29,国际标准化组织（ITU）,国际无线电标准化工作由国际电信联盟（ITU）负责ITU原由综合秘书处国际频率登记局（IFRB）国际无线电咨询委员会（CCIR）研究国际电话电报咨询委员会（

11、CCITT）四个常设机构组成1993年3月ITU组织调整为：无线通信组（CCIR+IFRB）ITU-R工作组电信标准化组（CCITT）ITU-T工作组电信开发组（BDT）,第一章-30,其它标准化组织,欧洲的标准化组织欧洲邮电管理协会（CEPT）曾是欧洲通信设施的主要标准化组织现逐渐被其它组织替代欧洲电信标准协会（ETSI）成立于1988年GSM DECT HiperLAN等北美地区的标准化组织电子工业协会（EIA）电信工业协会（TIA）蜂窝电信工业协会（CTIA）美国国家标准协会（ANSI）IEEE LAN等,第一章-31,六、蜂窝移动通信的概念,大区制移动通信系统信号传输损耗通信距离有限大

12、区制系统覆盖范围3050km 发射功率50200W 天线很高（30m）具有网络结构简单频道数目少无需无线交换直接与PSTN相连大区系统的局限性覆盖范围有限服务的用户容量有限服务性能较差频谱利用率低1974 Bell实验室提出蜂窝概念,第一章-32,蜂窝的概念和分类,蜂窝系统-“小区制”系统将所要覆盖的地区划分为若干个小区每个小区的半径可视用户的分布密度在110km左右在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务“频率复用”的概念特点用户容量大服务性能较好频谱利用率较高用户终端小巧且电池使用时间长辐射小等新的问题系统复杂越区切换漫游位置登记更新和管理以及系统鉴权等,第一章-33,蜂窝的概念和分

13、类,蜂窝分类宏蜂窝（Macro-cell）220km微蜂窝（Micro-cell）0.42km皮蜂窝（Pico-cell）400m分层蜂窝（由多种蜂窝组成）,第一章-34,各类蜂窝的比较,第一章-35,蜂窝小区的形状,第一章-36,蜂窝通信的频率复用,第一章-37,小区分裂与扇区化,扇区化小区,用户密度不同的小区结构,第一章-38,七、GSM数字蜂窝移动通信系统概述,GSM是完全依据欧洲通信标准化委员会（ETSI）制定的GSM技术规范研制而成的，任何一家厂商提供的GSM数字蜂窝移动通信系统都必须符合GSM技术规范。小区结构和载频复用。,第一章-39,GSM系统中的小区,GSM系统中的小区也有大

14、小之分。大者，基站（BS）与移动台（MS）间的距离可达到35公里，适用于农村区域；小者，小区的半径（BS与MS间的距离）可降至1公里，适用于市区。在高密度业务区，例如在市中心，则可采用扇型小区结构。系统可接受的同频道保护比可降至C/I9dB，因此采用每个小区具有三扇型的3小区复用型式（即相当于9小区簇）是可行的。,第一章-40,GSM系统的工作频带和载频间隔,GSM系统工作在如下射频频带上行（移动台发，基站收）890915MHz下行（基站发，移动台收）935960MHz双工间隔为45MHz载频间隔为200kHz频道编号GSM系统整个工作频段为124对载频，其序号用n表示，则上、下两频段中序号为

15、n的载频频率可用下式计算：Fl(n)=(8900.2n)MHz（下频段）Fu(n)=Fl(n)45=(9350.2n)MHz（上频段）式中 n=1124,第一章-41,GSM系统的基本特点,1GSM系统是由几个分系统组成的，并且可与各种公用通信网（PSTN、ISDN、PDN等）互连互通。各分系统之间或各分系统与各种公用通信网之间通过标准化接口保证互通；2GSM系统能提供穿过国际边界的自动漫游功能；3GSM系统除了可以开放话音业务，还可以开放各种承载业务、补充业务和与ISDN相关的业务；,第一章-42,GSM系统的基本特点,4GSM系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全；5GSM系统具

16、有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，移动业务交换机的话务承担能力一般都很强，保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务的要求；6GSM系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高；7用户终端设备发展向小型、轻巧和增强功能趋势发展。,第一章-43,GSM系统的结构与功能,BTS和BSC之间为Abis接口；,Ai,B,C,D,E,1,2,3,第一章-44,移动台（MS）,移动台是公用GSM移动通信网中用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的唯一设备。包括车载台和便携式台，手持台，其中手持台为主，呈现小型化多样化。除了通过无线接口接入GSM系统的通常无线和处理功能

17、外，移动台必须提供与使用者之间的接口。比如完成通话呼叫所需要的话筒、扬声器、显示屏和按键。或者提供与其它一些终端设备之间的接口。因此，根据应用与服务情况，移动台可以是单独的移动终端（MT）或者是由移动终端（MT）直接与终端设备（TE）传真机相连接而构成，或者是由移动终端（MT）通过相关终端适配器（TA）与终端设备（TE）相连接而构成。,第一章-45,移动台（MS）-续,移动台另外一个重要的组成部分是用户识别模块（SIM），它包含所有与用户有关的被储存用户无线接口一边的信息，其中也包括鉴权和加密信息。使用GSM标准的移动台都需要插入SIM卡的情况下操作移动台。,第一章-46,基站子系统（BSS）

18、,移动台与网络子系统的中间连接，基站子系统是由基站收发台（BTS）和基站控制器与（BSC）这两部分的功能实体构成。基站收发信台（BTS）基站收发信台（BTS）属于基站子系统的无线部分，由基站控制器（BSC）控制，服务于某个小区的无线收发设备，完成BSC与无线信道之间的转化，实现BTS与移动台（MS）之间通过空中接口的无线传输及相关的控制功能。,第一章-47,基站子系统（BSS）-续1,BTS主要分为基带单元、载频单元、控制单元三大部分。基带单元用于必要的话音和数据速率适配以及信道编码等。载频单元用于调制-解调与发射机-接收机之间的耦合等。控制单元则用于BTS的操作与维护。另外，在BSC与BTS

19、不设在同一处需采用Abis接口时，传输单元是必须增加的，以实现BSC与BTS之间的远端连接方式。如果BSC与BTS并置在同一处，只需采用BS接口时，传输单元是不需要的。,第一章-48,基站子系统（BSS）-续2,基站控制器（BSC）基站控制器（BSC）是基站子系统（BSS）的控制部分，起着BSS的变换设备的作用，即各种接口的管理，承担无线资源和无线参数的管理。BSC主要由下列部分构成：朝向与MSC相接的A接口或与码变换器相接的Ater接口的数字中继控部分；朝向与BTS相接的Abis接口或BS接口的BTS控制部分；公共处理部分，包括与操作维护中心相接的接口控制；交换部分。,第一章-49,移动业务

20、交换中心（MSC）,移动业务交换中心是网络的核心，它提供交换功能及面向系统其它功能实体：基站子系统BSS、归属用户位置寄存器HLR、鉴权中心AUC、移动设备识别寄存器EIR、操作维护中心OMC和面向固定网（公用电话网PSTN、综合业务数字网ISDN、分组交换公用数据网PSPDN、电路交换公用数据网）的接口功能，把移动用户与移动用户、移动用户与固定用户互相连接起来。移动业务交换中心可从三种数据库，即归属用户位置寄存器（HLR）、访问用户位置寄存器（VLR）和鉴权中心（AUC）获取处理用户位置和呼叫请求所需的全部数据。反之，MSC也根据其最新获取的信息请求更新数据库的部分数据。,第一章-50,移动

21、业务交换中心（MSC）-续1,MSC可为移动用户提供一系列业务：如电信业务，承载业务和补充业务等。作为网络的核心，MSC还支持位置登记、越区切换和自动漫游等移动特性性能和其它网络功能。,第一章-51,移动业务交换中心（MSC）-续2,HLRHome Location Register，用于移动用户的管理，维护所有用户的信息（如电子序列号ESN，电话号码，国际移动用户识别号IMSI，用户文件和目前位置等），HLR可以与PCSC放在一起，作为PCSC的整个部分，或独立于PCSC。一个HLR可以服务几个PCSC。一个HLR可以分布在不同的几个地方。VLRVisitor Location Regist

22、er，连接于一个或多个PCSC。VLR是动态存储用户的信息的单元，用户的信息是由用户的HLR得到的。当用户位于此VLR覆盖的服务区时，就存储此用户的信息。当一个漫游移动台进入一个PCSC覆盖的新的服务区时，PS首先进行注册，然后通知相关的VLR和它的HLR。,第一章-52,移动业务交换中心（MSC）-续3,EIREquipment Identity Register，存储移动通信设备的设备码，用于确保系统内所使用的移动用户设备的唯一性和安全性。OSOperating System,也称为OMCOperating Mantainence Center，负责整个无线网络的管理。AUCAuthent

23、ication Center，存储用户的鉴权信息或加密密钥，用于防止无权用户进入系统，AUC属于HLR的一个功能单元。,第一章-53,八、电波传播、大尺度场强估计与覆盖设计,无线信道与无线电波传播特性分析陆地移动通信的场强估算覆盖设计,第一章-54,为什么研究无线信道？,研究无线移动信道模型，预测接收信号场强：衰减、吸收、折射、散射、绕射.移动环境.自然和人为无线电环境.接收信号场强情况如何？信号带宽的增加GSM的均衡CDMA的多径合并开发时域多径资源智能天线的引入开发空域多径资源,第一章-55,无线电波,无线电发射包括电磁场电场分量 1/d3感应场分量 1/d2辐射场分量 1/d辐射场具有E

24、 和B 分量在距离d=EB 处的场强 1/d2以发射机为球心的表面区域,第一章-56,一般直觉,影响接收信号强度的两个因素：距离 路径衰减多径 相位差,绿色信号比蓝色信号到达红接收点的传输距离长1/2。对2.4 GHz信号，（波长）=12.5cm。,第一章-57,模型是特定的,尺度不同大尺度（数米范围内的平均值）小尺度（在波长量级范围内的测量值）环境特征不同室外、室内、陆地、海洋、空间、等等应用区域不同宏蜂窝（2km）、微蜂窝（500m）、微微蜂窝,第一章-58,大尺度传播模型,大尺度模型预测距离的电波传播行为：距离和主要环境特征的函数，粗略地认为与频率无关当距离减小到一定程度时，模型就不成立

25、了用于无线系统覆盖和粗略的容量规划建模,第一章-59,小尺度传播模型,小尺度（衰落）模型描述信号在尺度内的变化多径效应（相位抵消）为主，路径损耗可认为是常数与载波频率和信号带宽有关。着眼于“衰落”建模：在短距离或数个波长范围内信号快速变化。,第一章-60,无线电波传播特性分析,电波传播-传播方式传播路径直射波-视距传播反射波地表面波移动信道多径衰落,第一章-61,如何研究多径？,从接收信号的角度进行统计分析接收信号的幅度变化及分布接收信号的到达角分布从多径的数学表达式角度分析研究多径中每径幅度的分布研究每径的到达角和分布研究每径的时延特性及分布从模型的角度,第一章-62,产生多径的原因,自由空

26、间传播（LOS）假设为远场dD且d，其中D为天线最大直线长度，为载波波长，无干扰，无阻挡。反射：当电波信号传播碰撞到大大地大于信号波长的障碍物时发生反射。导体与绝缘体材料（折射）散射：当电波信号传播碰撞到小于信号波长障碍物或facets时发生散射“混乱”相对波长较小绕射：信号能量绕过障碍物传播的机制称为绕射费涅尔区,第一章-63,反射波,反射系数,水平极化波,垂直极化波,当f150MHz时，Rv=Rh=-1反射波与入射波相差180。,第一章-64,折射,良导体反射无衰减绝缘体只反射入射波能量的一部分“Grazing角”，100%反射直角入射，100%透射反射造成180相移,第一章-65,陡峭的

27、小山区,传播可以是LOS，或由一个或多个峭壁造成的绕射。LOS 传播可用地面反射模型：绕射损耗 但若无LOS，绕射可帮助覆盖,第一章-66,绕射（衍射）,当波撞击在障碍物边缘时发生绕射“次级”传播进入阴影区与LOS的路径差导致相移费涅尔区表达了相对于障碍物位置相移,第一章-67,传播到阴影区的信号功率,绕射传播功率是多少?第一费涅尔区：与自由空间相比低5至25dB,第一章-68,散射,在实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射模型预测的要强，这是因为当电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向，给接收机提供了额外的能量。临近金属物体（街头标志等）：通常采用统计模型若平面上的最大突

28、起高度h小于临界高度hc，则认为表面光滑，反之则认为粗糙。,第一章-69,移动通信的场强特征,移动通信环境下场强变化剧烈场强变化的平均值随距离增加而衰减场强特性曲线的中值呈慢速变化-慢衰落场强特性曲线的瞬时值呈快速变化-快衰落,第一章-70,移动通信环境的几个效应,空间传播损耗-Path loss阴影效应：由地形结构引起，表现为慢衰落多径效应：由移动体周围的局部散射体引起的多径传播，表现为快衰落多普勒效应：由于移动体的运动速度和方向引起多径条件下多普勒频谱展宽,第一章-71,慢衰落,产生的原因阴影效应，特点：衰落速率与工作频率无关大气折射，大气介电常数的变化，时变统计特性局部均值分布特性-对数

29、正态分布联合分布,第一章-72,快衰落,产生的原因多径效应多普勒效应三种典型情况只有多径效应（移动台固定周围物体移动）只有多普勒效应多径多普勒,第一章-73,快衰落瞬时幅度特性,电平通过率（Level Crossing Rate）指在单位时间内信号电平以正斜率通过某一给定电平A的次数,衰落速率：指单位时间内信号以正斜率通过中值电平的次数衰落深度：指信号的有效值（均方根值）与最小值之间的差值衰落持续时间及其分布：指信号电平低于某一电平（门限电平）的持续时间,第一章-74,瑞利（Rayleigh）分布,指在无直射波的N个路径，传播时若每条路径的信号幅度为高斯分布、相位在02为均匀分布，则合成信号包

30、络分布为瑞利分布：,第一章-75,为什么是瑞利分布？,设N个路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的，且统计独立。发送信号为接收信号为令则x和y是独立随机变量之和。根据中心极限定律，x和y趋于正态分布，因此合信号复包络为瑞利分布。,第一章-76,莱斯（Rician）分布,指含有一个强直射波的N个路径，传播时若每条路径的信号幅度为高斯分布、相位在02为均匀分布，则合成信号包络分布为莱斯分布。,第一章-77,Nakagami 分布,M=1，瑞利分布M=0.5，单边指数分布莱斯分布,第一章-78,八、电波传播、大尺度场强估计与覆盖设计,无线信道与无线电波传播特性分析 陆地移动通信的场强估算覆盖设

31、计,第一章-79,陆地移动通信的场强估算,自由空间传播模型在距离d处，接收信号功率为：式中，Pt 为发射机输出功率，单位Watts常数K 取决于天线增益，系统损耗因子，和载波波长。,第一章-80,自由空间a,自由空间功率通量密度（W/m2）通过球表面积的辐射功率式中Gt 发射机天线增益在此覆盖区域范围内，接收机天线仅“捕获”此通量的一小部分。,第一章-81,自由空间b,Fraunhofer 距离：d2D2/天线增益和天线孔径Ae 为天线孔径，直观地为垂直于通量的天线面积Gr 接收机天线增益，与Ae有关。接收功率(Pr)=功率通量密度(Pd)Ae,第一章-82,自由空间c,式中：L 为系统损因子

32、Pt 为发射机输出功率Gt 和Gr 为天线增益为载波波长,第一章-83,两径地面反射模型,对于d hr和ht，“低”入射角使地面成为一个反射器反射信号相移180Pr 1/d4（=4）,第一章-84,地面反射1,接收信号功率为：由Pr=|E|2Ae，可推算出场强E；Ae 为天线孔径。此模型从1/d2 变为1/d4的“断点”在d 2hthr/式中：hr 和ht 分别为收发天线高度,第一章-85,电波传播路径损耗的理论模型,第一章-86,对数距离路径损耗模型,计入其它环境因素的对数距离路径损耗模型：在远场选择d0测量PL(d0)或计算自由空间损耗测量并根据经验得到n,第一章-87,传播损耗采用实验图

33、表计算法,第一章-88,电波传播路径地形分类,第一章-89,移动通信环境分类,按照地物的密集程度分为：开阔地环境：在电波传播路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面郊区环境平坦地形：在移动台附近有些障碍物，但稠密建筑物多为12层楼房城市环境：有较稠密的建筑物和高层楼房大都市高楼大厦稠密建筑区中等稠密建筑区：多为28层间或40层高楼中小建筑区：多为25层间或20层高楼平房建筑区：多为24层,第一章-90,中等起伏市区中值损耗,第一章-91,开阔地、准开阔地修正因子,第一章-92,郊区修正因子,第一章-93,水陆混合路径修正因子,第一章-94,对数阴影模型,当障碍物阻挡收发信机间的LOS时发

34、生阴影可用一简单的统计模型说明不可预测的“阴影”在对数距离PL公式中，增加一个0-均值高斯随机变量Markov模型可用于表示空间相关性,第一章-95,对数路径2,在不同特征环境下的n 值：,第一章-96,对数阴影模型2,式中X为零均值高斯随机变量（dB），和n由测量数据得出。,第一章-97,路径损耗的经验模型-Hata,EGLI模型适用于频率25470MHz，传播距离在4英里内的场强预测Okumura（奥村）模型与Hata公式适用于频率1001500MHz，传播距离在120km的城市场强预测,第一章-98,路径损耗的经验模型-Hata-续,第一章-99,路径损耗的经验模型-WIM,在欧洲COS

35、T计划工程231开发出的半确定性经验模型它适合高楼林立地区的中到大型蜂窝的场强确定称为Walfisch-Ikegami模型WIM模型与频段8002000MHz路径长度0.025km的测量值十分符合视距传输,第一章-100,室内路径衰耗模型,室内模型研究较少，是移动无线信道新的研究领域。主要特征：覆盖距离更小，环境相对变动更大；距离短，更接近“近场”；门的开关和天线安装等对室内信号场强的影响非常大；更“混乱”，散射波更多，LOS更少。,第一章-101,室内建模技术,建模技术和方法：对于走廊LOS传播，为n2的对数正态模型若无LOS，则为对数正态阴影模型隔墙和地板衰减因子“路径跟踪”的计算精度取决

36、于建筑物的3-D模型和材料衰减因子,第一章-102,隔离损耗,隔离损耗：同楼层墙，家具，设备高度依赖于材料类型和频率硬隔离vs 软隔离硬隔离随建筑而成软隔离不到天花板“框架”建筑,第一章-103,隔离损耗2,隔离损耗：楼层间取决于建筑结构和频率“楼层损耗因子”随着楼层增高而减小典型值1楼：15 dB/层2-5楼：6-10 dB/层5楼以上：1-2 dB/层,第一章-104,材料,不同材料的衰减值：,第一章-105,室内信道-建筑物的穿透损耗,室内移动用户逐渐增多穿透损耗与建筑材料的关系钢筋混凝土结构的损耗大于砖石和土木结构损耗随穿透深度而增大穿透损耗与楼层的关系楼层越高，损耗越小穿透损耗与频率

37、的关系频率低的损耗大，频率高的损耗相对小,第一章-106,室内传播模型,对数距离路径损耗模型：其中，n 依赖于周围环境和建筑物类型，X表示标准偏差为的正态随机变量，这两个参数都可通过查表获得。,第一章-107,移动环境信道-WCDMA信道模型,dB,第一章-108,微微小区覆盖情况,微微小区可能需要不同于以上介绍的模型来表示：更小的覆盖范围。近反射器：在桌子或地板上。换言之，小尺度的物体不算是“平滑”：“地面反射”可能成为散射。放在地面上的接收器可能不工作。,第一章-109,微微小区覆盖情况2,“衰落”的结果：你可能在一个地方没有信号，但向任意一个方向移动很小的距离就有信号能移动否?切换频率或

38、天线?移动位置还是增加更多的接入点?如果都不行，那就只得中断通信。所实现的网络拓扑结构可能完全与位置关系不相关。,第一章-110,微微小区覆盖情况3,有关的建模工具：统计模型（莱斯/瑞利/对数正态）统计衰落假设特定的动态，取决于接收机的移动性和环境。物理环境和路径跟踪方法的CAD建模：因为接入点位置固定，这只需做一次。,第一章-111,微微小区覆盖情况4,一种建模方法：把不同的无线系统特征化，并与公布的数据比较。评估在固定网络拓扑环境中移动性对统计模型的影响。尝试确定什么环境结构和参数最重要：散射vs.地面反射?是否有简单CAD 模型可以提供帮助?,第一章-112,八、电波传播、大尺度场强估计

39、与覆盖设计,无线信道与无线电波传播特性分析 陆地移动通信的场强估算覆盖设计,第一章-113,大区制移动通信网,无线服务区：基站信号所能覆盖的区域。大区制指一个基站覆盖一个较大的服务区。因此：基站天线较高，发射功率很大（50-200W）覆盖半径达30-50km。其覆盖范围受以下因素的影响：地球曲率造成的视距；山丘，树林，建筑物造成的阴影；移动台接收机性能及其天线系统的效率；发射机功率是有限的，并且增加发射功率只能换来微小的距离增加；多径和其它干扰的影响。,第一章-114,大区制移动通信网-续,大区制还存在上下行传输不一致的地方。可以通过设立分集接收台，使得上下行互通性为1:1。为了增加容量，只能

40、通过增加基站信道数来实现。使得它只能用于用户密度较小的地区。,第一章-115,小区制,大区制频谱利用率低，容量小。所以，可以通过频率的复用来解决。服务区划成半径2-20km的小区。每个小区一个基站，负责与本小区的移动用户的通信。,第一章-116,带（条）状服务区,指用户分布呈条状，如铁路，公路，河流等。,两频组,三频组,四频组,第一章-117,重叠区的确定,为了保证通话的质量，要求设计时应考虑两个相邻区域的连接处要有适当纵深的重叠区。但为了防止越区干扰，必须设计适当。假设重叠区的深度为a,小区半径为r。干扰最严重的地方出现在区域的边缘。对于不同的情况，可得到干扰-信号比：,二频组,三频组,四频

41、组,第一章-118,重叠区的确定说明,根据信干比的要求，当已知小区半径时，可由上页的公式求出重叠区深度。由上页的公式看出，对于要求输出信噪比在20dB左右时，双频组方式还是可行的，但重叠区不能很宽，这将降低服务区内的接通率。在实际系统中，为了减少同频干扰，宜采用三频组。采用更高的频组，将使系统的复杂性加大，造价过高。,第一章-119,面状服务区（蜂窝网）,当基站采用全向天线时，无线区大体上是圆。当多个无线小区彼此邻接覆盖整个服务区时，就可以用圆的内接正多边形来近似。小区构成的图形有多种，主要为三角形，正方形，正六角形。采用何种方式来覆盖，主要考虑以下几个因素：相邻小区的中心间隔；单位小区的面积

42、；重叠区宽度；重叠区面积；所需要的最少频率个数。,第一章-120,蜂窝小区的形状,第一章-121,不同形状小区参数的比较,可以看出：正六角形小区的中心间隔最大，覆盖面积最大，重叠区面积最小，所以采用正六角形构成小区所需的小区数最少。因此，它是最经济的组网方式。,第一章-122,小区簇的组成,在蜂窝系统中，为了便于频率复用，并能保持同频频道之间的距离相等并且最大，发展了许多复用图样，其中由一组频率不同的小区组成一定图样，称为单元无线小区簇。构成簇的基本条件：这一图样能彼此邻接且无空隙地覆盖整个面积。相邻单元中，同频道的小区间距离相等，且最大。满足这些条件的簇的形状和簇内小区数（即频率组数）的取值

43、不是任意的。,第一章-123,小区图案和频率复用,第一章-124,K=4的方式,第一章-125,确定同频小区（1）,如图所示，从某个小区A 出发，先沿垂直于六角形的边的方向前进，越过i 个小区，到达某个小区，然后，逆时针方向（或顺时针方向）越过j 个小区，到达与A 同频的小区。本例中K13。,第一章-126,确定同频小区（2）,显然，同频小区之间的距离满足：而服务区中的小区数为：可见：所以，簇内小区数越多，同频小区之间的距离就越远，从而抗同频干扰的能力也就越强。但是，簇内小区数越多，频率的利用率就下降了。所以，在满足同频干扰值的条件下，应尽可能取小的K 值。,第一章-127,顶点激励和中心激励

44、方式,基站放在小区中央，采用全方向天线形成圆形覆盖区的方式，称为中心激励方式。缺点：假如小区内有大的障碍物，会造成阴影区。基站放在正六边形的3个成120度角的顶点上，使用120度的扇形覆盖的定向天线的方式，称为顶点激励方式。优点：获得较大的前后比，减少指对向外的干扰，从而可以减小同频复用距离。,第一章-128,小区分裂,网络设计初期，认为服务区内个小区大小相同，用户密度均匀分布，各基站频道数相等。随着用户数的增加，用户的分布不再均匀，有的小区甚至出现信道不够的情况。把高用户密度的小区面积划得更小将全向覆盖改为定向覆盖，使每个小区的信道数增多这种措施称为小区分裂。,第一章-129,几种小区分裂的

45、方案-在原基站上分裂,将中心设置基站的全向覆盖区分裂成几个定向天线的小区。如图所示，一个全向天线覆盖的小区分裂成3个120度扇形小区或6个60度的扇形小区。对载波干扰比C/I 和话务量等性能的分析比较可知：120度扇形的扇面太宽，C/I较低，特别是在边界处难以保证通话质量；60度扇形的C/I高，但覆盖面较小，重叠区较深。,第一章-130,几种小区分裂的方案-三叶草形小区分裂方式,考虑到正六角形小区的C/I高和重叠区小的优点，所以小区分裂应考虑尽量分裂成正六边形形状。上图为1:3的分裂方式。对新的小区而言，基站为顶点激励方式，每个基站120度定向覆盖三个呈“三叶草”型的新小区。采用这种分裂方式的

46、优点：增加了小区数目，但不增加基站数量；利用定向天线，降低同频干扰；减少维护工作量和基站的建设投资；采用这种方式需要有一个长期的频率使用规划。,第一章-131,几种小区分裂的方案-增加新基站的分裂,用缩小小区半径，增加新的蜂窝小区，并在适当的地方增加新的基站的方式来增加系统容量的。为了降低对邻区的干扰，应降低基站发射功率，降低基站天线高度。,第一章-132,扇形小区共用技术,一种信道共用技术。小区分裂可以进行多次，但最小小区半径不是越小越好，通常不能小于1.5-2.0公里。,扇区化小区,第一章-133,蜂窝系统的覆盖,蜂窝系统的覆盖范围：指接收端接收到的信号质量（SINR）一般蜂窝系统的链路计算,第一章-134,小结,移动通信系统的基本原理与概念一、移动通信的基本概念和主要特点二、移动通信系统分类与组成三、常用移动通信系统与工作方式 四、移动通信的发展、现状与未来五、移动通信的标准化六、蜂窝移动通信的概念七、GSM数字蜂窝移动通信系统概述八、电波传播、大尺度场强估计与覆盖设计,